从技术角度看汽车的演变 ADAS系统迎接新时代的需求和挑战

作者：Asif Chowdhury，UTAC集团高级副总裁

诸多证据表明，ADAS（高级驾驶辅助系统）可以让车辆更加安全，而很多消费者都表示希望看到这些系统发展实现完全的自动化。然而，无论是当今的半自动驾驶车辆还是完全自动驾驶第5级车辆，它们所采用的ADAS系统都给人一种犹抱琵琶半遮面的感觉。

本文将从支持这些系统所需的底层技术出发，阐述ADAS系统在这一演进过程中能满足我们的哪些期待，以及半导体行业如何应对这一趋势。

从技术角度看汽车的演变

汽车的持续电气化意味着如今的车辆与十年前的车辆已经几乎没有任何相似之处。这很大程度上是因为车辆管理的几乎方方面面都采用了电子技术。然而，ADAS系统的出现是另一个重要的促进因素，而正是对增强的连接（部分是为了支持自动驾驶）、更严格的安全标准以及更高的驾乘舒适度的需求不断增加推动了该系统的出现。

事实上，据电子行业分析公司Prismark的预测，截至2022年，汽车电子市场的规模将从1990亿美元增长至2890亿美元，如图1所示。有趣的是，这一数字相当于45%的增长，而同期的汽车产量增长估计只有13%。之所以这样，原因之一是每辆汽车的电子设备价值预计将从2016年的约2000美元/辆上升到2022年的2700美元/辆，而其中表现最强劲的应用领域是电气化(19%)和ADAS(15%)。

图1：2016-2022年的汽车电子市场。来源：Prismark 2018年10月

目前使用的ADAS系统

目前，汽车自动驾驶被分为了0-5级，其中0级代表传统汽车，驾驶员在所有情况下都拥有对车辆的完全控制权，而在安全气囊和轮胎压力测量等方面则采用标准的被动传感器。

最近，汽车制造商推出了新的电子系统来为车辆驾驶员提供辅助，从而刺激了自动驾驶的发展。这促成了采用第1级和第2级ADAS系统的半自动驾驶车辆的出现。反过来，这又推动了对车辆内集成的传感器模块数量和种类的要求，例如增加了加速度计和陀螺仪、超声波传感器和方向盘角度传感器。除此之外，还快速采用了视觉系统来加强导航与制导，以及图像传感器（后视、前视和环视摄像头）、雷达和盲点检测系统来提高安全性。此外，ADAS系统还被用于为自动紧急制动系统、车道保持辅助和驻车辅助等功能提供支持。

自动驾驶的明天

最近，光探测和测距(LiDAR)传感器模块已开始投入实际运用，以支持更高级别的自动驾驶。LiDAR系统几乎完全供车辆自身的系统而非人类驾驶员使用，并且被集成到第一代第3级半自动驾驶车辆中。第3级车辆有望配备ADAS系统，以支持在特定情况下的自动驾驶，例如驻车和高速公路行驶。随着汽车行业向第4级自动驾驶的发展，预计在2020-2025年期间，每年将生产多达1000万辆第3级自动驾驶车辆。

LiDAR系统也被认为是全自动驾驶的第4级车辆必不可少的系统，预计在2025-2030年期间，每年将推出500万辆此类汽车。事实上，许多IDM以及设计公司都在研究固态LiDAR技术，该技术需要利用先进的技术和材料来提供完全定制的封装解决方案。

随着行业向第3级甚至更高级别发展，预计支持ADAS系统所需的传感器模块数量将迎来大幅增长。如图2所示，这在第4/5级时尤其如此，图中显示了每辆汽车在每个自动化级别下所需的摄像头、RADAR和LiDAR传感器模块数量的预计增长情况。

图2：每个自动化级别下一辆汽车所需的雷达、摄像头和LIDAR模块的数量。来源：©Infineon Technologies AG。

最终，第4/5级车辆预计将搭载ADAS系统，用以监测或控制驾驶环境的几乎所有方面。从技术角度来看，这将包括系统联网和传感器融合等。与此同时，从制导和导航的角度来看，ADAS系统可能会直接影响和实现距离测量、交通标志识别、车道重建、精确定位和实时地图功能。或许最重要的是，它还可能在涉及潜在碰撞和驾驶规则执行的关键仲裁中取代驾驶员的人工决策。

半导体封装行业如何做好准备

半导体封装技术是实现汽车市场内最新趋势的内在因素，而OSAT（外包半导体组装与测试）已经做好准备，以便支持向更先进的ADAS系统和更高水平的汽车自动驾驶发展。

有望成为下一阶段汽车运营主要部分的一个领域是数字处理。这方面的趋势是更多引脚数的封装，包括BGA。更小间隙QFP的运用越来越广泛，因为它们可提供更高的引脚密度，并且它也是一种成熟的汽车封装解决方案。预计模拟设备仍将继续依赖于引脚框架，因此对QFN型封装的需求将增加。

此外，虽然传统上使用陶瓷板，但由于电机控制应用的高功率要求，现在正转向采用模压封装和金属绝缘板安装解决方案。虽然引脚框架仍然是功率器件的首选封装方式，但对更高运行频率和更低导通电阻的需求使得新封装类型得以引入，从而尽可能地减少寄生电感和电容。铜夹互连（简称为Cu Clip）就是例子之一，它不仅可以降低RDSon，还能提高交换性能。

汽车向更高级别的自动驾驶和电气化方向发展也带来了对更大处理能力的需求。因此，汽车行业现在也在使用功能更强大的微处理器。这使得引脚数约为100个的基本8位器件开始向引脚数超过600个的32位处理器转变。现在用于这些器件的封装类型的例子之一是倒装芯片球栅格阵列(FCBGA)。

汽车行业的另一个主要趋势是对现场零故障的要求。这种“零缺陷”的呼声对半导体封装公司提出了更高的要求，他们需要确保自己的器件完全无故障。因此，在封装和将封装焊接到电路板的过程中，必须以一种能够消除任何潜在故障的方式进行。

这主要涉及到半导体封装在制造过程中的应用便捷程度。为了确保严格的质量控制和质量保证，现在的标准做法是遵循自动检测流程，更具体地说也就是自动光学检测(AOI)。

值得注意的是，采用侧引线电镀(SLP)的可润湿侧翼QFN封装成为了汽车应用的标准。它形成的焊接圆角可为AOI设备提供可检测的接头，采用这种封装技术大大拓宽了QFN在汽车行业的运用。

除了SLP QFN之外，汽车行业的许多半导体设备供应商还采用了Cu Clip技术，因为它可以实现比丝焊互连更高的载电流容量，同时还能降低电感和电阻。Cu Clip的高功率特性已被运用于独立功率晶体管中，而目前的制造工艺已允许将其应用于多芯片封装，以便在一个综合器件中满足功率和控制的需求。

结语

随着汽车行业在车辆中引入更高级别的自动驾驶，半导体封装技术在提供更加集成、可靠和高效的器件方面愈发显得至关重要，这将使得更先进的ADAS系统得以运用。目前的半自动车辆到第4级和第5级完全自动驾驶车辆有望将以更快的速度继续发展，而ADAS系统将成为其不可或缺的一部分，以便提供增强的导航、更高的安全性、更高的连接性，并持续提升舒适性。应对所有这些挑战离不开高质量的创新封装解决方案，而OSAT在汽车半导体供应链中处于理想位置，能够提供相关的服务。

UTAC是汽车OSAT供应商中排名第三的OSAT。凭借其最先进的汽车组装和测试服务，UTAC的汽车质量在业界名列前茅。UTAC在多个垂直领域的半导体组装和测试方面拥有专业技术，特别是在支持针对汽车市场的IDM和无晶圆厂半导体公司方面具有明显优势。
编辑：hfy